Для получения арамидов обычно исходят из галогенидов ароматических дикарбоновых кислот и ароматических диаминов, как, например, пара-фенилендиамин (PPD) и дихлорид терефталоила (TDC):
Полимер образуется в результате реакции обоих мономеров в растворителе. В качестве растворителя подходит триамид гексаметилфосфорной кислоты, но из-за канцерогенных свойств его лучше избегать, что, удалось, например, путем осуществления полимеризации в суспензии избытка CaCl2 в растворителе N-метилпирролидон.
Переработку арамида в волокна производят обычно из растворов, так как способ прямого прядения из полимерного раствора оказался неудобным для применения, а также, так как температура плавления лежит намного выше температуры термического разложения.
Арамидные волокнообразующие полимеры получают методом поликонденсации в растворе при низкой температуре (5-10 °C). Полимер получают добавлением к раствору реагентов при интенсивном перемешивании. Полимер выделяется из исходного раствора в виде геля или крошки, затем он промывается и высушивается.
Полученный полимер растворяется в одной из сильных кислот, например, в концентрированной серной кислоте.
Из раствора полимера методом экструзии через фильеры формуются волокна и нити. Температура формования 50-100 °C. Экструдированные волокна проходят небольшую воздушную прослойку (5-20 мм) и попадают в осадительную ванну с холодной водой (менее 4 °C). Волокно промывается, собирается на приемном устройстве и высушивается. После сушки пряжа обычно имеет высокую прочность и очень высокой модуль упругости. На второй ступени процесса пряжу можно дополнительно вытянуть, например, при температурах 300-400°C. Это ведет к еще более высокому модулю при равной прочности и более низком предельном растяжении (удлинении при разрыве).
Свойства волокна могут варьироваться при изменении природы использованного растворителя, условий нитеобразования, а также при последующих термических обработках свежесформованных волокон.
Кристаллическая природа полимера обеспечивает высокую термическую стабильность волокон, а наличие ароматических колец в структуре макромолекулы обусловливает химическую стабильность волокон. Благодаря жесткой сетчатой структуре макромолекул арамидные волокна при нагревании не испытывают никаких фазовых превращений вплоть до температуры термического разложения.
В других высокополярных растворителях, таких как DMSO (ДМСО) и DMF (ДМФА), арамидные полимеры могут только набухать, но не растворяются.
В зарубежной практике в промышленном масштабе реализованы три метода получения арамидных волокон – сухое, мокрое и сухо-мокрое формование из раствора полимера. Рассмотрим зарубежную технологию получения арамидных волокон Kevlar и Twaron методом сухо-мокрого формования.
Процесс производства волокон начинается с получения соответствующего полимера как товарного продукта реакцией ароматического диамина (ПФТА; основная составляющая – мономер-А) с ароматической двухосновной кислотой (терефталоилхлоридом; кислотная составляющая – мономер-Б) в среде апротонного растворителя (диметалацатамида) и с добавлением хлорида лития. Мономеры вступают в реакцию (с выделением в раствор побочного вещества – хлористого водорода HCl) и образуют полимер в виде геля, который с помощью дополнительных методов обработки превращается в порошковый полимер. Синтезированный полимер растворяют в концентрированной серной кислоте при температуре 80 °С, и при достижении концентрации полимера 18–20% он переходит в жидкокристаллическое анизотропное состояние. Нагретый до 80 °С жидкокристаллический раствор экструдируют через фильеру, где практически сформированное волокно, перед тем как попасть в осадительную ванну, проходит через воздушный зазор (2–20 мм). Волокно экструдируется в воздухе и затем попадает в осадительную ванну [3].
При сухом формовании полимерная смесь выходит из фильеры, обдувается потоком горячего газа (N2, CO2, воздухом или их смесью), тем самым обеспечивая испарение растворителя, и образует волокно. При мокром формовании полимерная смесь выходит из фильеры в осадительную ванну, содержащую низкомолекулярные вещества, совместимые с растворителем, но не растворяющие полимер. Температура ванны может варьироваться от 2 до 90 °C. В осадительной ванне полимер, осаждаясь, образует волокно [7].
2.1. Преимущества
Жёлтое, блестящее арамидное волокно имеет особую структуру. Их переплетают разными способами: полотняным, саржевым, атласным, вафельным. Сложное строение волокон определяет уникальные качества тканей:
ü Высочайшая прочность, значительно превосходящая нейлон и неуступающая стальным изделиям.
ü Материал разрывается при приложении гигантских усилий: от 250 до 600 кг на квадратный миллиметр.
ü Лёгкость. Материал имеет плотность 1400-1500 кг/м куб, оно почти в 2 раза легче стекловолокна.
ü Высочайшее сопротивление механическим воздействиям. Ткань способна противостоять пулевым ударам.
ü Непревзойдённая термостойкость. Арамидные ткани не теряют своих качеств при температуре до 250-400°С. Они выдерживают кратковременный тепловой удар в 1000°С.
ü Абсолютная биоустойчивость. Материалу не страшны не грибки, ни бактерии, поэтому он не гниёт и не впитывает неприятные запахи.
ü Стабильность размеров. Арамидная ткань сохраняют форму на протяжении всего срока эксплуатации.
Из арамидных волокон, тканей производят прочные, долговечные материалы. Арамиды всех групп превосходят по характеристикам нейлоновые нити, которые признаны одними из самых стойких на разрыв. При этом вес арамидного полотна не увеличивается. Его прочности повышается за счет увеличения сечения, а не плотности.
Деформациям арамиды не подвержены. Они рвутся при очень высоких нагрузках, но не меняют формы. Ткань не горит, поэтому прекрасно подходит для производства стропил, шнуров и спецодежды.
Интересное качество арамидных материалов – способность увеличения запаса прочности при морозе. Как только температура опускается ниже 0 °С, защитные качество волокон растут. При воздействии высоких температур волокна не воспламеняются, а обугливаются (невозможно получить ожог).
2.2. Недостатки
Несмотря на высокую прочность и термостойкие характеристики, арамидные ткани не лишены недостатков. К ним относят:
· Устойчивость к впитыванию различных красящих пигментов. Окрасить арамид сложно, поэтому цветовая палитра материала ограничена. Большая часть волокон имеет различные оттенки желтого цвета.
· Отсутствие стойкости к воде. При намокании арамидные материалы теряют свою прочность. Вода влияет на водородные связи в нитях. И прочностные параметры падают почти в 2 раза. Но при высыхании они восстанавливают характеристики.
· Подверженность эффекту старения. С этим качеством арамидных тканей возможно бороться при помощи специальных пропиток. Производители дают гарантию изделиям, не превышающую 10 лет.
· Некоторые изделия чувствительны к ультрафиолетовому излучению и не могут быть использованы длительное время под лучами солнца.
Получается, что все типы арамидов подходят для создания композитных материалов, срок эксплуатации которых до 10 лет. При пошиве одежды, изготовлении тросов, экипировки важно заменять ткань по истечению данного периода. Но в ходе эксплуатации характеристики прочности и термостойкости окупят цену волокон [5].
2.3. Сферы применения арамидных волокон и тканей
Несмотря на высокую цену, арамидная ткань нашла применение в разных сферах. Из нее часто производят защитную одежду, к которой относят каски, тенты, бронежилеты, бронешлемы. А также одежду для спецслужб, пожарных, спасателей, металлургов. Арамидные ткани прежде всего идут на изготовление защитной одежды для работников горячих профессий: металлургов, сварщиков. Из материала шьют боевую форму пожарных и спасателей МЧС. Его можно встретить во всех отраслях, где необходима огнезащита [6].
Арамидные композитные материалы широко применяются в следующих сферах:
Ø Авиация, машиностроение. Добавляют в состав несущих элементов, при создании кузовных деталей самолетов, кораблей, спорткаров.
Ø Строительство поездок. Применяют для изготовления обивки салонов.
Ø Производство автошин. Арамидные материалы используются в качестве армирующих волокон.
Ø Кабельная продукция – создание сверхпрочной оплетки при производстве волоконно-оптических кабелей.
Ø Создание бронежилетов, шлемов, способных задержать пули огнестрельного оружия для спасения жизней военных, спецслужб.
Ø Прочие сферы: создание струн для музыкальных инструментов, удилищ, динамиков, спортивного инвентаря, штативов для фотосъемки.
Заключение
Арамиды в виде тканей или волокон используются в самолёто- и ракетостроении. Они находят широкое применение в народном хозяйстве. Из сверхпрочного материала получаются отличные ленты для транспортёров, арматура для автошин и крепкие тросы, а также арамидную бумагу. Из него также делают безупречные оптико-волоконные кабели. Инновационные арамидные ткани уже более полувека стоят на страже жизни и здоровья человека. Они сокращают рабочие риски и даже обеспечивают комфорт представителям самых опасных, огненных профессий.
Разработчики, химики и технологи постоянно улучшают качество арамидной ткани, добавляя и расширяя сферы ее применения. Они же работают над недостатками. Стараются улучшить показатель влагостойкости, чтобы спецодежда была прочнее и долговечнее.
Список использованной литературы
1. Арамид. [Электронный ресурс]: статья. Режим доступа:https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D1%80%D0%B0%D0%BC%D0%B8%D0%B4
2. Способ спаивания арамида/арамидных волокон. [Электронный ресурс]: статья. Режим доступа: https://findpatent.ru/patent/267/2676051.html
3. Арамид: производство, виды, достоинства и сферы применения тканей. [Электронный ресурс]: статья. Режим доступа:https://shopnewcomposite.ru/blogs/aramid
4. Арамидное волокно и арамидопластики. [Электронный ресурс]: статья. Режим доступа:https://moodle.kstu.ru/pluginfile.php/339288/mod_resource/content/1/1.pdf
5. Что такое арамидное волокно?[Электронный ресурс]: статья. Режим доступа:https://www.teijinaramid.com/ru/technology/what-is-aramid/
6. Арамидная ткань: на огненном рубеже. [Электронный ресурс]: статья. Режим доступа:https://textiletrend.ru/pro-tkani/iskusstvennyie/aramidnaya.html
7. Формование арамидных волокон. [Электронный ресурс]: статья. Режим доступа:https://ozlib.com/879400/tehnika/formovanie_aramidnyh_volokon